Koolstofvezels, met een diameter van slechts 5 micrometer, wat overeenkomt met een-tiende tot een-twaalfde van de dikte van een mensenhaar, zijn meer dan vier keer sterker dan aluminiumlegeringen. Koolstofvezels zijn een polykristallijn materiaal dat bestaat uit onvolledig gekristalliseerd grafiet, gerangschikt langs de vezelas. Grafiet heeft een gelaagde structuur; binnen elke laag zijn koolstofatomen gerangschikt in zeshoeken, waarbij elk atoom sp2-hybride orbitalen vormt met drie aangrenzende koolstofatomen en één niet-gehybridiseerde orbitaal. De ongehybridiseerde orbitalen geven grafiet een hoge thermische en elektrische geleidbaarheid op zijn parallelle basale vlak. Deze lagen stapelen zich op en vormen de drie-kristallijne structuur van grafiet, met een tussenlaagafstand van 0,334 nm. De verbinding tussen de lagen vindt plaats door middel van van der Waals-krachten. Dit geeft het een hoge mate van anisotropie. Elasticiteitsmodulus: 1060 GPa onder belasting evenwijdig aan het basale vlak, 36,5 CPa onder belasting loodrecht op het basale vlak, en een schuifbelasting van 4 GPa op het basale vlak.
Het grafietvlak kan rond een as worden geroteerd, waardoor de ABAB-stapelvolgorde van drie--dimensionaal kristallijn grafiet verloren gaat en de bekende- twee--kristallijne structuur van spiraalvormig gelaagde koolstof ontstaat. De afstand tussen de lagen in spiraalvormig gelaagde koolstof is groter dan die van grafiet in het algemeen. Koolstofvezels met hoge -modulus bereid uit PAN (poly(alkyleenoxide)) zijn spiraalvormige laagkristallen met een voorkeursoriëntatie van grafietlagen evenwijdig aan de vezelas. De kristalstructuur wordt bepaald door twee parameters: breedte (parallel aan de vezelas) en hoogte (loodrecht op de vezelas). De vezelmodulus hangt sterk af van de mate van laagoriëntatie, die toeneemt met toenemende warmtebehandelingstemperatuur en rek tijdens vezelfabricage.
Een ander structureel kenmerk van de koolstofvezels is de aanwezigheid van een porositeit van 15% tot 20% tussen de korrels. Deze microporiën zijn langwerpig en bij voorkeur evenwijdig aan de vezelas. De diameter van de microporiën is 1 à 2 nm en hun lengte is minimaal 20 à 30 nm. De aanwezigheid van poriën en de grotere laagscheiding van de spiraalvormige koolstoflagen resulteren in een vezeldichtheid die lager is dan de theoretische dichtheid van grafiet. Röntgendiffractie- en elektronendiffractiestudies van de structuur van op PAN-gebaseerde koolstofvezels onthullen een vertakte microvezelstructuur, waarbij de structurele basiseenheid een 6 nm brede, duizenden nanometer lange lint-achtige laag is. Verschillende linten vormen samen gebonden microvezels. De microvezels lopen zeer parallel aan de vezelas en vertakken zich en vormen langwerpige poriën met een diameter van 1 à 2 nm.
